Солнечный имитатор ( также искусственное солнце или имитатор солнечного света) — это устройство, которое обеспечивает освещение, приближающееся к естественному солнечному свету . Цель солнечного имитатора — обеспечить контролируемую испытательную установку в помещении в лабораторных условиях. Его можно использовать для тестирования любых процессов или материалов, которые являются светочувствительными , включая солнечные элементы , [1] солнцезащитный крем , [2] косметику , [3] пластмассы , аэрокосмические материалы , [4] рак кожи , [5] биолюминесценцию , [6] фотосинтез , [7] очистку воды , [8] деградацию сырой нефти , [9] и образование свободных радикалов . [10] Солнечные имитаторы используются в широком спектре областей исследований, включая фотобиологию , [11] фотоокисление , [12] фотодеградацию , [13] фотоэлектричество , [14] [15] и фотокатализ . [16]
Стандарты, определяющие требования к производительности солнечных имитаторов, используемых при фотоэлектрических испытаниях, — это IEC 60904-9, [17] ASTM E927-19, [18] и JIS C 8912. [19] Эти стандарты определяют следующие параметры управления светом от солнечного имитатора:
Солнечный имитатор специфицируется в соответствии с его производительностью в первых трех из вышеуказанных измерений, каждый из которых относится к одному из трех классов: A, B или C. (Четвертая классификация, A+, была введена изданием IEC 60904-9 2020 года и применяется только к солнечным имитаторам, оцененным в спектральном диапазоне от 300 нм до 1200 нм. [17] ) Для ASTM E927-19, если солнечный имитатор не попадает под критерии A, B, C, он считается классом U (неклассифицированным). [18] Хотя эти стандарты изначально были определены специально для фотоэлектрических испытаний, введенные ими показатели стали общепринятым способом спецификации солнечных имитаторов в более широком смысле в других приложениях и отраслях. [20] [21] [22]
Спецификации ASTM E927-19, требуемые для каждого класса и размера, определены в Таблице 1 ниже. Солнечный симулятор, отвечающий спецификациям класса A по всем трем размерам, называется солнечным симулятором класса AAA (ссылаясь на первые три размера, перечисленные выше). [18]
Стандарт ASTM E927-19 определяет, что всякий раз, когда этот трехбуквенный формат используется для описания солнечного имитатора, необходимо четко указать, какая классификация применяется к каждому показателю солнечного имитатора [18] (например, для солнечного имитатора класса ABA необходимо четко указать, какие параметры относятся к классу A, а какие — к классу B).
Стандарт IEC 60904-9 определяет, что три буквы должны располагаться в порядке спектрального соответствия, неоднородности и временной нестабильности. [17]
Спектральное соответствие солнечного симулятора вычисляется путем сравнения его выходного спектра с интегрированной облученностью в нескольких интервалах длин волн. Справочный процент общей облученности показан ниже в Таблице 2 для стандартных земных спектров AM 1.5G и AM 1.5D, а также внеземного спектра AM 0. Ниже приведен график этих двух спектров.
Спектральное соответствие солнечного имитатора (т. е. коэффициент спектрального соответствия) — это процент выходной облученности, деленный на облученность эталонного спектра в этом интервале длин волн. Например, если солнечный имитатор излучает 17,8 процентов от своего общего облучения в диапазоне 400–500 нм, он будет иметь в этом интервале длин волн 0,98. Если солнечный имитатор достигает спектрального соответствия между 0,75 и 1,25 для всех интервалов длин волн, считается, что он имеет спектральное соответствие класса A.
Эти интервалы длин волн были в первую очередь предназначены для применения в качестве солнечного симулятора при тестировании кремниевых фотоэлектрических элементов , поэтому спектральный диапазон, в котором были определены интервалы, был ограничен в основном первоначально разработанной областью поглощения кристаллического кремния (400 нм–1100 нм).
Стандарты солнечного симулятора имеют некоторые требования к тому, где должен измеряться спектр освещенности. Например, стандарт IEC 60904-9 требует, чтобы спектр измерялся в четырех разных местах по схеме, приведенной ниже. [17]
Недавние разработки в области материаловедения расширили спектральный диапазон чувствительности солнечных элементов c-Si, multi-c-Si и CIGS до 300 нм–1200 нм. [17] Поэтому в 2020 году стандарт IEC 60904-9 ввел новую таблицу интервалов длин волн (приведенную в Таблице 3 ниже), направленную на то, чтобы согласовать выход солнечного имитатора с текущими потребностями широкого спектра фотоэлектрических устройств. [17]
Хотя приведенное выше определение спектрального диапазона подходит для удовлетворения потребностей в тестировании многих фотоэлектрических технологий, включая тонкопленочные солнечные элементы, изготовленные из CdTe или CIGS , его недостаточно для тестирования многопереходных солнечных элементов, использующих высокоэффективные полупроводники III-V , которые имеют более широкую полосу поглощения от 300 до 1800 нм.
Для точных спектральных данных за пределами вышеупомянутых диапазонов можно использовать таблицы данных в ASTM G173 (для AM1.5G и AM1.5D) [23] и ASTM E490 (для AM0) [24] в качестве справочных данных, но спецификации солнечных имитаторов пока не применяются ни к чему за пределами 300 нм - 1200 нм для AM1.5G и 300 нм - 1400 нм для AM0. Многие производители солнечных имитаторов производят свет за пределами этих областей, но классификация света в этих внешних областях пока не стандартизирована.
Пространственная неоднородность солнечного симулятора вычисляется с помощью следующего уравнения, результатом которого является процент: [18]
Здесь, — массив нормализованных значений тока короткого замыкания, обнаруженных солнечным элементом или массивом солнечных элементов. Три стандарта солнечных имитаторов предъявляют несколько разные требования к тому, как собирается массив измерений для вычисления пространственной неоднородности. ASTM E927-19 указывает, что поле освещения должно быть измерено как минимум в 64 позициях. Площадь каждой тестовой позиции, , представляет собой тестовую область освещения, деленную на количество позиций. Площадь используемого детектора должна быть в пределах от 0,5 до 1,0 от . [18]
Временная нестабильность освещенности солнечного симулятора вычисляется с помощью следующего уравнения, результатом которого является процент: [18]
Здесь, это массив измерений, собранных за период сбора данных. Стандарты солнечного симулятора не определяют требуемый временной интервал или частоту выборки в абсолютных величинах.
Обновление стандарта IEC 60904-9 2020 года ввело метрику спектрального покрытия (SPC) — дополнительный способ квалификации солнечных имитаторов. [17] Значение спектрального покрытия солнечного имитатора в настоящее время не влияет на его классификацию, но должно быть указано в соответствии с IEC 60904-9:2020. SPC рассчитывается следующим образом и относится к проценту излучения солнечного имитатора, которое составляет не менее 10 процентов от эталонной освещенности на заданной длине волны:
Обновление стандарта IEC 60904-9 2020 года ввело метрику спектрального отклонения (SPD) — дополнительный способ квалификации солнечных имитаторов. [17] Значение спектрального отклонения солнечного имитатора в настоящее время не влияет на его классификацию, но его требуется сообщать в соответствии с IEC 60904-9:2020.
SPD рассчитывается следующим образом и представляет собой общее процентное отклонение между спектром излучения солнечного имитатора и эталонным спектром:
Солнечные имитаторы можно разделить на две категории в зависимости от продолжительности их излучения: непрерывные (или стационарные ) и мигающие (или импульсные). Солнечные имитаторы иногда также классифицируются в зависимости от количества ламп, используемых для генерации спектра: одноламповые или многоламповые. [25]
Первый тип — это знакомая форма источника света, в котором освещение непрерывно во времени, также известное как стационарное . Технические характеристики, обсуждавшиеся в предыдущих разделах, наиболее непосредственно относятся к этому типу солнечного имитатора. Эта категория чаще всего используется для испытаний с низкой интенсивностью, от менее 1 солнца до нескольких солнц. Общая интегрированная облученность для спектра AM1.5G составляет 1000,4 (ширина полосы пропускания от 280 нм до 4000 нм) [23], что часто называют «1 солнцем». Солнечные имитаторы непрерывного света (или непрерывной волны, CW) могут иметь несколько различных типов объединенных ламп, таких как дуговой источник и одна или несколько галогенных ламп, чтобы расширить спектр далеко в инфракрасную область. [26]
Второй тип солнечного имитатора, также известный как импульсный имитатор, качественно похож на вспышку и использует импульсные трубки . При типичной длительности в несколько миллисекунд возможны очень высокие интенсивности до нескольких тысяч солнц. Этот тип оборудования часто используется для предотвращения ненужного накопления тепла в тестируемом устройстве. Однако из-за быстрого нагрева и охлаждения лампы интенсивность и спектр света по своей сути являются переходными, что делает повторное надежное тестирование более технически сложным. Технология твердотельных ламп, такая как светодиоды, смягчает некоторые из этих проблем нагрева и охлаждения в имитаторах солнечного света со вспышкой. [27] Стандарты солнечного имитатора содержат рекомендации для стационарных имитаторов солнечного света по сравнению со вспышечными. Например, раздел 7.1.6.3 ASTM E927 содержит рекомендации по измерениям временной нестабильности для имитаторов солнечного света со вспышкой. [18]
Солнечный симулятор состоит из трех основных частей: [1]
В качестве источников света в солнечных имитаторах использовались несколько типов ламп. Тип лампы, возможно, является наиболее важным определяющим фактором пределов производительности солнечного имитатора в отношении интенсивности, спектрального диапазона, схемы освещения, коллимации и временной стабильности. [1]
Аргоновые дуговые лампы использовались в ранних исследованиях по моделированию солнечного излучения (1972) и имеют высокое цветовое тепловое излучение 6500 К, хорошо соответствующее температуре абсолютно черного тела Солнца, с относительно широким спектральным излучением от 275 нм до 1525 нм. [1] Газ аргон высокого давления циркулирует между анодом и катодом, с водяным вихрем, текущим вдоль внутренней стенки кварцевой трубки для охлаждения края дуги. [15] Аргоновые дуговые лампы имеют недостатки короткого срока службы и низкой надежности. [1] [29]
Углеродные дуговые лампы имеют излучение, подобное AM0, и поэтому используются для солнечных имитаторов, предназначенных для создания внесолнечных спектров. [1] (Они использовались для первых космических имитаторов НАСА. [31] ) Углеродные дуговые лампы выигрывают от более интенсивного УФ-излучения. Однако у них есть недостаток, заключающийся в том, что они, как правило, слабее по интенсивности, чем аналогичные ксеноновые дуговые лампы. [1] Кроме того, они имеют короткий срок службы, нестабильны во время работы и излучают синий свет высокой интенсивности, не соответствующий солнечному спектру. [1]
Примерно с 2000 года светодиоды ( LED ) стали широко использоваться в фотоэлектрических солнечных имитаторах. [25] Светодиоды излучают свет, когда пары электронов и дырок рекомбинируют. [32] [ круговая ссылка ] Они недорогие и компактные с низким энергопотреблением. [1] Обычно они имеют узкую полосу пропускания порядка 10 нм–100 нм, поэтому в солнечном имитаторе необходимо объединять несколько светодиодов. [33] Таким образом, спектральное соответствие светодиодного солнечного имитатора во многом определяется количеством и типами светодиодов, используемых в его конструкции. Светодиоды можно точно контролировать до временных окон менее миллисекунды для стационарных или мигающих приложений солнечного имитатора. [1] Кроме того, светодиоды имеют относительно длительный жизненный цикл по сравнению со всеми другими типами ламп солнечного имитатора и очень эффективны в преобразовании энергии. [1] Текущие исследования и разработки светодиодов постоянно снижают их стоимость [1] и расширяют их спектральный охват, [33] позволяя все чаще использовать их в солнечных имитаторах с более широким спектром. Светодиодные солнечные имитаторы уникальны тем, что их спектры можно настраивать электрически (увеличивая или уменьшая интенсивность различных светодиодов) без необходимости использования оптических фильтров. [34] По сравнению с ксеноновыми дуговыми лампами светодиоды продемонстрировали эквивалентные результаты при тестировании IV фотоэлектрических модулей с лучшей стабильностью, гибкостью и спектральным соответствием. [35] Поскольку излучение светодиодов несколько чувствительно к температуре перехода, у светодиодов есть недостаток, заключающийся в необходимости адекватного управления температурой. [36] [34] [37]
Металлогалогенные дуговые лампы были в первую очередь разработаны для использования в кино- и телевизионном освещении, где требуется высокая временная стабильность и соответствие цвету дневного света. Однако для этих же свойств металлогалогенные дуговые лампы также используются в солнечном моделировании. Эти лампы производят свет посредством разряда высокой интенсивности (HID) путем пропускания электрической дуги через испаренные соединения ртути высокого давления и металлогалогенных соединений. [15] Их недостатки включают высокое энергопотребление, [1] высокую стоимость электронного драйвера, [1] и короткий жизненный цикл. [1] Однако они имеют преимущество относительно низкой стоимости, [15] и из-за этой низкой стоимости многие большие солнечные имитаторы были построены с использованием этой технологии. [39] [40]
Кварцево-вольфрамовые галогенные лампы (QTH-лампы) предлагают спектры, которые очень близки к излучению черного тела , хотя обычно с более низкой цветовой температурой, чем у солнца. Они представляют собой тип ламп накаливания, в которых галоген, такой как бром или йод, окружает нагретую вольфрамовую нить. [15] Их недостатком является то, что они имеют максимальную цветовую температуру 3400 К, что означает, что они производят меньше УФ-излучения и больше ИК-излучения, чем солнечный свет. [15] Они обладают высокой интенсивностью. [1] и низкой стоимостью, [1] и широко используются в менее чувствительных к спектру приложениях, таких как тестирование концентрированных солнечных коллекторов. [15]
Суперконтинуальный лазер — это источник мощного широкополосного света, диапазон которого может варьироваться от видимого до ИК-диапазона. [1] Лазеры обладают высокой интенсивностью и просты в фокусировке, но их недостатком является то, что они освещают только очень маленькие области. [1] Однако их высокая интенсивность позволяет проводить испытания фотоэлектрических модулей в приложениях солнечных концентраторов.
Ксеноновые дуговые лампы являются наиболее распространенным типом ламп как для непрерывных, так и для вспышечных солнечных имитаторов. Они представляют собой тип разрядных ламп высокой интенсивности (HID), в которых свет создается электрической дугой через ионизированный газ ксенон высокого давления. [15] Эти лампы обеспечивают высокую интенсивность и нефильтрованный спектр , который достаточно хорошо соответствует солнечному свету. Кроме того, эти лампы не демонстрируют значительного сдвига спектрального баланса из-за различий в мощности, что снижает необходимость в стабильности источника питания. [1] Поскольку они излучают высокую интенсивность из одной колбы, коллимированный луч высокой интенсивности может быть получен с помощью ксеноновой дуговой лампы. [15] Однако спектр ксеноновой дуговой лампы характеризуется множеством нежелательных острых атомных переходных пиков, а также, как правило, более сильным излучением в инфракрасном диапазоне, [15] что делает спектр менее желательным для некоторых спектрально чувствительных приложений. Эти пики излучения обычно фильтруются с помощью стеклянных фильтров. [1] Ксеноновые лампы имеют много недостатков, включая высокое энергопотребление, [1] необходимость постоянного обслуживания, [1] короткий жизненный цикл, [1] высокую стоимость, [15] чувствительность выходного сигнала к нестабильности электропитания, [15] риск взрыва лампы из-за их работы с использованием газа под высоким давлением, [15] и опасность для дыхательных путей из-за образования озона под воздействием УФ-излучения. [15]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )